(57)【要約】【課題】安全性の高い有機化合物を燃料の原料として用い、安全性が高く、発電効率に優れた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、有機化合物を低分子化する手段と、低分子化により生成した有機燃料を、燃料電池に供給する供給部とを有することを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図７
2006344413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、
前記有機化合物を低分子化する手段と、
前記低分子化により生成した有機燃料を、前記燃料電池に供給する供給部と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記有機化合物が、トリオキサンおよびポリアセタールよりなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記有機化合物を低分子化する手段が、
（i）前記有機化合物を酸または塩基と接触させる手段、
（ii）前記有機化合物を加熱する手段、
（iii）前記有機化合物に光照射する手段、および
（iv）前記貯蔵部内の圧力を制御する手段
よりなる群から選ばれた少なくとも１つを含む、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記供給部が、前記有機燃料を水とともに前記燃料電池に供給する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記供給部が、前記有機燃料を水とともに、吸湿性材料を介して、前記燃料電池に供給する、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給部は、前記有機化合物を通過させず、前記有機燃料を通過させる材料を具備する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、
前記有機化合物を低分子化する手段と、
前記低分子化により生成した有機燃料を、燃料電池に供給する供給部と、
を有することを特徴とする燃料電池用原料カートリッジ。
【請求項８】
前記有機化合物が、トリオキサンおよびポリアセタールよりなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項７記載の原料カートリッジ。
【請求項９】
前記有機化合物を低分子化する手段が、
（i）前記有機化合物を酸または塩基と接触させる手段、
（ii）前記有機化合物を加熱する手段、
（iii）前記有機化合物に光照射する手段、および
（iv）前記貯蔵部内の圧力を制御する手段
よりなる群から選ばれた少なくとも１つを含む、請求項７記載の原料カートリッジ。
【請求項１０】
前記貯蔵部が、水タンクを有し、前記供給部が、前記有機燃料を前記水タンクから供給される水とともに燃料電池に供給する、請求項８記載の原料カートリッジ。
【請求項１１】
前記供給部が、前記有機燃料を水とともに、吸湿性材料を介して、燃料電池に供給する、請求項１０記載の原料カートリッジ。
【請求項１２】
燃料電池と、
燃料の原料である有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記有機化合物を低分子化し、
前記低分子化により生成した有機燃料を、前記燃料電池に供給する、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記有機化合物が、トリオキサンおよびポリアセタールよりなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１２記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記有機化合物を低分子化する工程が、
（i）前記有機化合物を酸または塩基と接触させる工程、
（ii）前記有機化合物を加熱する工程、
（iii）前記有機化合物に光照射する工程、および
（iv）前記貯蔵部内の圧力を制御する工程
よりなる群より選ばれた少なくとも１つを含む、請求項１２記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を含む燃料電池システム、および燃料電池に供給する燃料の原料である有機化合物を貯蔵する原料カートリッジに関する。さらに詳しくは、本発明は、安全性の高い有機化合物を低分子化し、生成させた反応性の高い有機燃料を燃料電池に供給する技術に関する。本発明は、ユーザーの安全性を確保し、かつ、発電効率を高めるものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素などの燃料と、酸素などの酸化剤とを電気化学的に反応させる燃料電池を用いて電力を発生させる発電システムである。燃料としては、水素以外にもアルコール類、エーテル類、オレフィン類などの有機化合物を用いることができる。これらの有機化合物の多くは、常温で液体であり、運搬が容易であるという利点を有することから、ポータブル電源の燃料としての利用が注目されている。
【０００３】
有機化合物を燃料に用いた従来の燃料電池システムとしては、メタノールを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）、ホルムアルデヒドを用いる燃料電池システム（例えば、非特許文献１参照）、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサンを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献１および非特許文献２参照）、シュウ酸エステル、グリオキサル酸エステルを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献２参照）などがある。
【特許文献１】特表平１０−５０７５７２号公報
【特許文献２】特表２００３−５２０４１３号公報
【非特許文献１】Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、第１１巻、ｐ．１３３−１４１
【非特許文献２】Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、第１４４巻、第１２号、ｐ．４１９５−４２０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
メタノールは「毒物および劇物取扱法」によって劇物に指定されており、ユーザーが誤って経口摂取すると失明する恐れがあるとされている。しかし、従来の燃料電池システムにおいて、メタノールを燃料に用いる場合、ユーザー自らがメタノールを取り扱う必要が生じる場合があり、高度な安全性を確保する観点からシステムの改良が求められている。
【０００５】
また、ホルムアルデヒドは、メタノールと同様に反応性が高いが、「毒物および劇物取扱法」によって劇物に指定されており、その蒸気は刺激性があるため、メタノールと同様の取り扱い上の不便がある。
【０００６】
ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサン、シュウ酸エステル、グリオキサル酸エステルなどは、メタノールに比べると毒性が低いが、反応性も低く、得られる電池電圧が低く、発電効率が低くなってしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、発電効率の高い有機燃料を安全に用いること、すなわちユーザーが劇毒物に触れることなく、高度な安全性を確保しながら使用することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、燃料電池に供給する有機燃料の原料を貯蔵し、燃料電池システムから容易に着脱可能で、安全性に優れた原料カートリッジを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料電池と、燃料の原料である有機化合物（原料有機化合物）を貯蔵する貯蔵部と、原料有機化合物を低分子化する手段と、低分子化により生成した有機燃料を、燃料電池に供給する供給部と、を有することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【０００９】
本発明は、また、原料有機化合物を貯蔵する貯蔵部と、有機化合物を低分子化する手段と、低分子化により生成した有機燃料を、燃料電池に供給する供給部とを有することを特徴とする燃料電池用原料カートリッジに関する。
【００１０】
原料有機化合物を低分子化する手段は、（i）前記有機化合物を酸または塩基と接触させる手段、（ii）前記有機化合物を加熱する手段、（iii）前記有機化合物に光照射する手段、および（iv）前記貯蔵部内の圧力を制御する手段よりなる群から選ばれた少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００１１】
本発明は、更に、燃料電池と、原料有機化合物を貯蔵する貯蔵部とを有する燃料電池システムの運転方法であって、原料有機化合物を低分子化し、低分子化により生成した有機燃料を、燃料電池に供給する燃料電池システムの運転方法に関する。
【００１２】
原料有機化合物を低分子化する工程は、（i）前記有機化合物を酸または塩基と接触させる工程、（ii）前記有機化合物を加熱する工程、（iii）前記有機化合物に光照射する工程、および（iv）前記貯蔵部内の圧力を制御する工程よりなる群より選ばれた少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００１３】
原料有機化合物は、トリオキサンおよびポリアセタールよりなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１４】
トリオキサンおよびポリアセタールは、上記（i）〜（iv）のいずれの手段を用いても分解することができるが、ポリアセタールは、酸または塩基と接触させたり、加熱したりする方が、分解が進行しやすい。トリオキサンおよびポリアセタールは、低分子化により、有機燃料であるホルムアルデヒドを生成する。
【００１５】
原料有機化合物が、トリオキサンおよびポリアセタールよりなる群から選択される少なくとも１種である場合、供給部には、有機燃料を水とともに燃料電池に供給するものを用いることができる。このような供給部としては、例えば、有機燃料を水とともに、吸湿性材料を介して、燃料電池に供給するものであることが好ましい。よって、本発明の燃料電池システムおよび原料カートリッジは、水タンクを具備することが好ましい。水タンクは、例えば貯蔵部内に収容されていることが好ましい。
【００１６】
供給部には、原料有機化合物を通過させず、有機燃料を通過させる材料を設けることが好ましい。このようにすることで、貯蔵部と供給部とを直結させた場合でも、原料有機化合物が供給部から燃料電池に導入されるのを防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、非毒性の原料有機化合物を、燃料電池システム内で、酸または塩基、熱、光、圧力などを利用して、反応性の高い低分子の有機燃料に変換し、生成した有機燃料を用いて発電する技術である。よって、本発明によれば、ユーザーが、反応性の高い低分子の有機燃料（例えばホルムアルデヒド）と直接接触する機会がなくなり、安全性が大きく向上する。また、貯蔵部等を燃料電池システムから着脱可能な原料カートリッジとすることにより、本発明の利便性が高められる。
【００１８】
例えば、原料有機化合物にトリオキサンやポリアセタールを用いる場合、トリオキサンやポリアセタールは、安全性が高いため、ユーザーが接触しても全く問題は生じない。また、トリオキサンやポリアセタールは、容易に分解して、反応性の高いホルムアルデヒドを生成する。ホルムアルデヒドは、システムの内部で、燃料電池で反応させる前に生成し、速やかに消費される。よって、システムの内部に大量のホルムアルデヒドが貯蓄されることはない。
【００１９】
すなわち、本発明によれば、ユーザーは、反応性の高い有機燃料に接触する機会がほとんどなくなり、安全性が高まるとともに、燃料電池の発電効率は、従来の反応性の高い有機燃料を用いる場合と同程度を確保できる。貯蔵部等をカートリッジとする場合にも、カートリッジ内には、安全性の高い原料有機化合物が貯蔵されているため、ユーザーの安全性は確保される。
【００２０】
なお、原料有機化合物を分解して低分子化する反応は、吸熱反応である。よって、燃料電池の発電により生成する熱を原料有機化合物の分解に利用することにより、外部へ放出される熱量を低減することができる。その結果、ユーザーが高温の熱源と接触する機会が減り、システムの安全性は更に高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を図１に示す。燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、貯蔵部１２とを具備する。燃料電池１１は、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間に介在する電解質を具備する。貯蔵部１２には、燃料電池１１に供給される燃料の原料である有機化合物（原料有機化合物）が貯蔵されている。原料有機化合物は、貯蔵部に併設された分解部１４に送られ、分解部で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、供給部１３を通過して、燃料電池１１のアノードに供給される。原料有機化合物を貯蔵部１２から分解部１４へ送る方法は、特に限定されない。原料有機化合物が液状であれば、ポンプなどを用いてもよい。原料有機化合物が固体であれば、貯蔵部１２内で少しずつ溶融させてから分解部１４へ送ってもよい。
【００２２】
図１において、貯蔵部１２は、燃料電池１１に対して脱着可能とすることが好ましい。供給部１３および／または分解部１４も、貯蔵部１２と一体に、燃料電池１１に対して脱着可能とすることが好ましい。
なお、分解部１４は、貯蔵部１２に隣接していることが好ましいが、その配置は特に限定されない。また、供給部１３は、燃料電池１１と貯蔵部１２との間に配置していればよい。
【００２３】
分解部１４は、原料有機化合物を低分子化する手段として、原料有機化合物を加熱する手段を具備する。原料有機化合物は、分解部１４を通過する際に、上記手段によって低分子成分まで分解される。分解部は、更に、有機化合物を酸または塩基と接触させる手段、原料有機化合物に光照射する手段、貯蔵部内の圧力を制御する手段などを有してもよい。
【００２４】
分解部１４が原料有機化合物を加熱する手段を有する場合、原料有機化合物は、例えば、高温に加熱された空間を通過する際に分解される。加熱手段には、ヒータを用いることもできるが、燃料電池１１の発電により生成する熱を原料有機化合物に伝導させてもよい。また、貯蔵部１２に貯蔵されている原料有機化合物の一部を燃焼させて熱を発生させるケミカルヒーター方式を採用することもできる。
【００２５】
本実施形態は、図１に示す分解部１４を有するものに限られない。原料有機化合物を分解部１４に移送することなく、貯蔵部１２内で少しずつ分解させてもよい。例えば、貯蔵部１２に隣接するヒータを設置し、貯蔵部１２を加温して、貯蔵部１２内の原料有機化合物を少しずつ分解させてもよい。
【００２６】
燃料電池システムを小型化し、ユーザーが高温熱源に接触する危険性を低減する観点からは、特に、燃料電池の発電時に生じた熱を貯蔵部１２に供給する熱交換方式により、原料有機化合物を加熱して低分子化することが好ましい。発電時に生じた余剰の熱を燃料電池システム系内で消費することにより、燃料電池システム系外への排熱量が減少し、システムの小型化が可能となり、安全性も高められる。
【００２７】
原料有機化合物には、例えば、トリオキサン、ポリアセタールなどを用いることができるが、特に限定されない。原料有機化合物は、１種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。また、トリオキサンには、結晶水が含有されていてもよい。
【００２８】
燃料電池システム１０においては、ユーザーが接触する機会のある貯蔵部に、ホルムアルデヒドなどの有機燃料ではなく、その原料である原料有機化合物が貯蔵されるため、燃料電池システムの安全性が向上する。特に、貯蔵部等をカートリッジとする場合には、ユーザーがカートリッジの内容物と接触する機会が多くなるが、カートリッジ内には、安全性の高い原料有機化合物が貯蔵されているため、ユーザーの安全性は確保される。また、燃料電池の発電により生成する熱を原料有機化合物の分解に利用することにより、外部へ放出される熱量を低減でき、システムの安全性は更に高められる。
【００２９】
第２実施形態
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図２に示す。燃料電池システム２０は、燃料電池２１と、貯蔵部２２とを具備する。貯蔵部２２に貯蔵されている原料有機化合物は、貯蔵部に併設された分解部２４に送られ、分解部で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、供給部２３を通過して、燃料電池２１のアノードに供給される。
燃料電池システム２０は、分解部の構成が異なる点以外、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の構成を有する。よって、以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３０】
分解部２４は、原料有機化合物を低分子化する手段として、原料有機化合物を酸または塩基と接触させる手段を具備する。原料有機化合物は、分解部２４を通過する際に、上記手段によって低分子成分まで分解される。分解部は、更に、原料有機化合物を加熱する手段、原料有機化合物に光照射する手段、貯蔵部内の圧力を制御する手段などを有してもよい。
【００３１】
分解部１４が原料有機化合物を酸または塩基と接触させる手段を有する場合、例えば、分解部には、酸または塩基を貯蔵するタンクを設置し、分解部１４に送られてくる原料有機化合物に酸または塩基が定量供給される。酸には、例えば、希塩酸水溶液、希硫酸水溶液、その他ブレンステッド酸の水溶液などを用いることができる。塩基には、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、その他ブレンステッド型塩基などを用いることができる。
【００３２】
分解部１４に固体酸または固体塩基を充填し、原料有機化合物が分解部を通過する際に固体酸または塩基と接触させてもよい。固体酸には、例えば、陽イオン交換樹脂、プロトン型ゼオライト、硫酸修飾ジルコニア、リンモリブデン酸やリンタングステン酸などのヘテロポリ酸などを用いることができる。固体塩基には、例えば、陰イオン交換樹脂、塩基修飾ゼオライト、水酸化カリウムなどの無機固体塩などを用いることができる。
【００３３】
原料有機化合物には、第１実施形態と同様にものを用いることができる。原料有機化合物は、分解部２４において、酸または塩基と接触する際に、ホルムアルデヒドなどの低分子成分に分解される。低分子成分は、有機燃料として、燃料電池２１に供給される。原料有機化合物として、常温常圧で固体であるトリオキサンやポリアセタールを用いる場合、低分子化反応を促進する観点から、分解部２４に含まれる酸または塩基は、液状であることが好ましい。
【００３４】
本実施形態は、図２に示す分解部２４を有するものに限られない。例えば、原料有機化合物を分解部２４に移送することなく、貯蔵部２２内で少しずつ分解させてもよい。例えば、貯蔵部２２に固体のトリオキサンやポリアセタールを貯蔵し、貯蔵部２２に液状の酸または塩基を少量ずつ供給することにより、トリオキサンやポリアセタールを少量ずつ分解させて、ホルムアルデヒドを生成させることができる。
【００３５】
第３実施形態
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図３に示す。燃料電池システム３０は、燃料電池３１と、貯蔵部３２とを具備する。貯蔵部３２に貯蔵されている原料有機化合物は、貯蔵部に併設された分解部３４に送られ、分解部で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、供給部３３を通過して、燃料電池３１のアノードに供給される。
燃料電池システム３０は、分解部の構成が異なる点以外、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の構成を有する。よって、以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３６】
分解部３４は、原料有機化合物を低分子化する手段として、原料有機化合物に光照射する手段を具備する。原料有機化合物は、分解部３４を通過する際に、上記手段によって低分子成分まで分解される。分解部は、更に、原料有機化合物を加熱する手段、原料有機化合物を酸または塩基と接触させる手段、貯蔵部内の圧力を制御する手段などを有してもよい。
【００３７】
分解部３４が原料有機化合物に光照射する手段を有する場合、原料有機化合物は、例えば、ＵＶランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）などが設置された空間を通過する際に分解される。原料有機化合物として、例えばトリオキサンやポリアセタールを用いる場合、原料有機化合物に照射する光の波長は３００ｎｍ〜３５０ｎｍであることが好ましい。このような波長の光を照射することにより、トリオキサンやポリアセタールは、ホルムアルデヒドに分解される。
【００３８】
本実施形態は、図３に示す分解部３４を有するものに限られない。例えば、原料有機化合物を分解部３４に移送することなく、貯蔵部３２内で少しずつ分解させてもよい。例えば、貯蔵部３２の内部または外部にＵＶランプを設置して、光量を制御しながら、貯蔵部３２内の原料有機化合物を少しずつ分解させてもよい。貯蔵部３２の外部にＵＶランプを設置する場合には、貯蔵部３２に透明な材質からなる窓を設け、窓に向けてＵＶランプの光を照射すればよい。
【００３９】
第４実施形態
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図４に示す。燃料電池システム４０は、燃料電池４１と、貯蔵部４２とを具備する。貯蔵部４２に貯蔵されている原料有機化合物は、貯蔵部４２内で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、供給部４３を通過して、燃料電池４１のアノードに供給される。
燃料電池システム４０は、分解部を有さず、貯蔵部内の圧力を制御する手段を有する点以外、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の構成を有する。よって、以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４０】
燃料電池システム４０は、原料有機化合物を低分子化する手段として、貯蔵部内の圧力を制御する手段を有する。貯蔵部内の圧力を制御する手段は、貯蔵部４２に設置してもよく、供給部４３に設置してもよく、他の場所に設置してもよい。なお、圧力制御だけでは原料有機化合物が低分子化しない場合には、原料有機化合物に酸または塩基を添加する手段および／または原料有機化合物を加熱する手段を併用することが好ましい。この場合、圧力制御により、貯蔵部内の原料有機化合物の蒸気圧が変化し、気化した原料有機化合物が酸または塩基により、もしくは、加熱手段により分解され、有機燃料が生成する。
【００４１】
第５実施形態
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図５に示す。燃料電池システム５０は、燃料電池５１と、貯蔵部５２とを具備する。貯蔵部５２に貯蔵されている原料有機化合物は、貯蔵部内で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、供給部５３を通過して、燃料電池５１のアノードに供給される。
燃料電池システム５０は、貯蔵部の構成が異なる点以外、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の構成を有する。よって、以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４２】
貯蔵部５２は、原料有機化合物を貯蔵する第１貯蔵部５４、水を貯蔵する第２貯蔵部（水タンク）５５を有する。第１貯蔵部５４には、原料有機化合物を低分子化する分解部５６が隣接して設置されている。貯蔵部５２に貯蔵されている原料有機化合物は、分解部５６に送られ、分解部５６で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、第２貯蔵部５５から供給される水と混合され、水とともに供給部５３を通過して、燃料電池５１のアノードに供給される。
【００４３】
有機燃料と水との混合物が供給部５３を通過する場合、供給部５３は、吸湿性材料で構成することができる。吸湿性材料は、毛細管現象を有することから、燃料電池５１に適量の燃料を供給することが可能である。吸湿性材料には、例えば織布、不織布、スポンジなどの多孔質材料などを用いることができる。
【００４４】
有機燃料としてホルムアルデヒドが生成する場合、水分子とホルムアルデヒド分子とのモル比が１：１の場合に、ホルムアルデヒドは完全に二酸化炭素まで酸化される。よって、有機燃料と水分子とを適正範囲の混合比で混合することにより、燃料電池の発電効率が向上し、高い電池電圧が得られるようになる。
【００４５】
原料有機化合物を貯蔵する第１貯蔵部と、水を貯蔵する第２貯蔵部とは、一体に燃料電池５１に対して脱着可能とすることが好ましい。図５においても、貯蔵部５２の全体が、燃料電池５１に対して脱着可能であることが好ましい。更に、供給部５３も、貯蔵部５２と一体に、燃料電池５１に対して脱着可能とすることが好ましい。
【００４６】
第６実施形態
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図６に示す。燃料電池システム６０は、燃料電池６１と、貯蔵部６２とを具備する。貯蔵部６２に貯蔵されている原料有機化合物は、貯蔵部に併設された分解部６４に送られ、分解部で低分子化される。低分子化により生成した有機燃料は、供給部６３を通過して、燃料電池６１のアノードに供給される。
燃料電池システム６０は、供給部の構成が異なる点以外、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の構成を有する。よって、以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
なお、分解部６４は、原料有機化合物を低分子化する手段として、原料有機化合物を酸または塩基と接触させる手段、原料有機化合物を加熱する手段、原料有機化合物に光照射する手段、貯蔵部内の圧力を制御する手段などのいずれかを有する。原料有機化合物は、分解部６４を通過する際に、上記手段によって低分子成分まで分解される。
【００４７】
供給部６３は原料有機化合物を通過させず、原料有機化合物が分解して生成する有機燃料を通過させる材料を具備する。このような供給部６３を用いることにより、貯蔵部６２と供給部６３とを直結することが可能となる。よって、図５のように、分解部６４と供給部６３とを一体化させることが可能となる。供給部６３は、原料有機化合物を通過させないため、原料有機化合物が供給部から燃料電池に導入されることはない。
【００４８】
例えば、トリオキサンやポリアセタールは常温常圧で固体であり、これらの分解により生成するホルムアルデヒドは常温常圧で気体である。よって、気体のホルムアルデヒドだけが燃料電池６１に供給されるよう、供給部６３には、気体のみを透過させる多孔性材料や、網目構造を有するネットなどを充填する。
なお、上記各実施形態において、貯蔵部の筐体の少なくとも一部を透明材料で構成し、内部の原料有機化合物の残量を目視できるようにすることが望ましい。この場合、原料有機化合物の残量から残りの作動可能時間を見積もることが可能となる。
【実施例】
【００４９】
次に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
（i）燃料電池の単セルの作製
図７に示すような断面構造を有する単セル７０を作製した。単セル７０は、アノード、カソード、アノードとカソードとの間に配置された電解質膜７１からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）７５を作製し、ＭＥＡ７５の一方の面に、燃料を供給する燃料流路７７Ａを有するアノード側導電性セパレータ７６Ａを配置し、他方の面に、空気を供給する空気流路７７Ｂを有するカソード側導電性セパレータ７６Ｂを配置して構成した。各セパレータには、表面を切削して燃料流路７７Ａもしくは空気流路７７Ｂとなる溝を形成し、裏面を切削して冷却水流路７８Ａ、７８Ｂとなる溝を形成した樹脂含浸黒鉛板を用いた。
【００５０】
ＭＥＡ６５は、以下の要領で作製した。
一次粒子の平均粒径が３０ｎｍである導電性カーボン粒子（オランダ、ＡＫＺＯ  Ｃｈｅｍｉｅ社製のケッチェンブラックＥＣ）１００重量部に対し、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを、それぞれ２５重量部ずつ担持させて、アノード側の触媒粉末を調製した。同様に、導電性カーボン粒子（ケッチェンブラックＥＣ）１００重量部に対し、平均粒径約３０Åの白金粒子を５０重量部担持させて、カソード側の触媒粉末を調製した。
【００５１】
アノード側の触媒粉末およびカソード側の触媒粉末を、それぞれイソプロパノール中に分散させ、得られた分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、アノード触媒用ペーストおよびカソード触媒用ペーストを調製した。
【００５２】
アノード触媒用ペーストを、スクリーン印刷法を用いて、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工して、アノード触媒層７３Ａを形成した。同様に、カソード触媒用ペーストを、スクリーン印刷法を用いて、厚み２５０μｍの別のカーボン不織布の一方の面に塗工して、カソード触媒層７３Ｂを形成した。その結果、カーボン不織布からなる拡散層７２Ａと、アノード触媒層７３Ａとを具備するアノード、および、カーボン不織布からなる拡散層７２Ｂと、カソード触媒層７３Ｂとを具備するカソードを得た。各触媒層中に含まれる触媒金属量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸量は１．２ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００５３】
アノードとカソードとを、これらの電極より一回りサイズの大きい水素イオン伝導性の高分子電解質膜７１を介して、ホットプレスによって接合した。アノードおよびカソードは、電解質膜７１の中心部の両面に配置し、アノード触媒層７３Ａとカソード触媒層７３Ｂとを電解質膜７１を介して対向させた。電解質膜７１には、パーフルオロカーボンスルホン酸の薄膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２（商品名））を用いた。次に、電解質膜７１の外周には、アノードおよびカソードを囲むように、セパレータの外周部とほぼ同じ形状に打ち抜かれたガスケット７４を、ホットプレスにより接合した。こうしてＭＥＡ７５を完成した。
【００５４】
（ii）燃料電池システムの作製
図８に示すような燃料電池システム８０を、以下の要領で作製した。
まず、単セル７０を１０個作製し、これらが直列接続されるように積層して、燃料電池スタック８１を得た。燃料電池スタックにおいて、全てのアノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、燃料流路７７Ａを連通させる燃料用マニホルド孔（図示せず）を形成した。同様に、全てのアノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、空気流路７７Ｂを連通させる空気用マニホルド孔（図示せず）を形成した。さらに、全てのアノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、冷却水流路７８Ａ、７８Ｂを連通させる冷却水用マニホルド孔（図示せず）を形成した。
【００５５】
貯蔵部８２は、シリコーン樹脂製の筐体で構成した。貯蔵部８２の側面には、スウェージロック社製のコネクタ（クイックコネクツ）８３を設置し、当該コネクタ８３によって、貯蔵部８２を燃料電池スタック８１の燃料用マニホルド孔に接合した。貯蔵部８２の内部には、原料有機化合物として、固体のトリオキサンを充填した。
【００５６】
貯蔵部８２には、トリオキサンを低分子化する手段として、貯蔵部８２に酸を供給する酸供給部８４を設置し、酸供給部８４には、１Ｍの希硫酸水溶液を充填した。希硫酸水溶液は毎分０．１ｍＬ／分の流量で、貯蔵部８２の内部に供給した。これによってトリオキサンを少しずつ分解し、生じたホルムアルデヒドのみを、コネクタ８３を介して燃料電池８１の燃料用マニホルド孔に供給した。空気用マニホルド孔には、酸化剤として、空気を毎分１Ｌの流量で供給した。冷却水用マニホルド孔には、発電実験中の燃料電池の動作温度が８０℃となるよう冷却水を流通させた。
【００５７】
《実施例２》
図９に示すような燃料電池システム９０を作製した。燃料電池スタック９１は、実施例１と同様に作製した。貯蔵部９２は、シリコーン樹脂製の筒型筐体で構成した。筒型筐体の一底面には、スウェージロック社製のコネクタ（クイックコネクツ）９３を設置し、当該コネクタ９３によって、貯蔵部９２を燃料電池スタック９１の燃料用マニホルド孔に接合した。貯蔵部９２の内部には、原料有機化合物として、固体のポリアセタールを充填した。
貯蔵部９２には、ポリアセタールを低分子化する手段として、貯蔵部９２を加熱するためのヒータ９５を設け、加熱によりポリアセタールを少しずつ分解させた。ポリアセタールの分解により生成したホルムアルデヒドは、コネクタ９３を介して燃料電池９１の燃料用マニホルド孔に供給した。
【００５８】
ヒータ９５は、冷却水用マニホルド孔と連通し、貯蔵部９２の側面に螺旋状に巻き付けられた第１配管９５Ａと、空気用マニホルド孔と連通し、貯蔵部９２の側面に螺旋状に巻き付けられた第２配管９５Ｂとにより構成した。燃料電池スタック９１で発生した熱を蓄え、高温になった冷却水は、冷却水用マニホルド孔の出口９４ａから、第１配管９５Ａに導入され、貯蔵部９２を加温した後、冷却水用マニホルド孔の入口９４ｂに戻し、冷却水を循環させた。また、燃料電池スタック９１で発生した熱を蓄え、高温になった空気は、空気用マニホルド孔の出口９４ｃから、第２配管９５Ｂに導入し、貯蔵部９２と熱交換させた後、第２配管の出口９４ｄから外部に排出した。
【００５９】
上記のような燃料電池スタック９１と貯蔵部９２との間の熱交換により、貯蔵部９２の温度は７０〜８０℃の範囲に収束した。
得られた燃料電池システム９０の発電実験を、実施例１と同様の条件で行った。すなわち、空気用マニホルド孔には、酸化剤として、空気を毎分１Ｌの流量で供給した。冷却水用マニホルド孔には、発電実験中の燃料電池の動作温度が８０℃となるよう冷却水を流通させた。
【００６０】
《比較例１》
実施例１と同様の燃料電池スタックを作製し、燃料用マニホルド孔に、濃度１Ｍのホルムアルデヒド水溶液を、毎分０．５ｍＬの流量で供給したこと以外、実施例１と同様の条件で発電実験を行った。
【００６１】
《比較例２》
実施例１と同様の燃料電池スタックを作製し、燃料用マニホルド孔に、濃度１Ｍのトリオキサン水溶液を、毎分０．５ｍＬの流量で供給したこと以外、実施例１と同様の条件で発電実験を行った。
【００６２】
［評価試験］
実施例１、２および比較例１、２において作製した燃料電池システムについて、上記条件で発電実験を行い、運転開始から２時間後の開回路電圧と、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２における電圧と、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２における電圧とを調べた。結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
2006344413.tif 000003
【００６４】
いずれの場合においても、開回路電圧は高い値を示した。また、実施例１、２では、電流密度に関わらず、比較例１に比べて高い電圧が得られた。しかし、比較例２では、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２の高負荷電流による実験において、実施例１、２に比べて、電池電圧が大きく降下した。
【００６５】
次に、発電試験時に、燃料電池の燃料用マニホルド孔の入口において、ホルムアルデヒド量およびトリオキサン量を分析した。ホルムアルデヒド量は、ホルムアルデヒド検知管（ガステック社製）により分析した。トリオキサン量は、ガスクロマトグラフ（（株）島津製作所製ＧＣ−１４ＢＰＴ、ワイドボアカラムＤＢ-ＷＡＸ使用）により分析した。結果を表１に示す。
【００６６】
実施例１ではトリオキサンは検出されず、ホルムアルデヒドのみが検出された。これは、貯蔵部内でトリオキサンが加水分解され、ホルムアルデヒドが生成したためである。実施例２でもホルムアルデヒドが検出された。これは貯蔵部内でポリアセタールが分解され、ホルムアルデヒドが生成したためである。一方、比較例２では、ホルムアルデヒドは検出されなかった。このことは、トリオキサン水溶液を用いるだけでは、ホルムアルデヒドは発生しないことを示している。また、トリオキサンに比べてホルムアルデヒドの反応性が高いことがわかる。
【００６７】
このように本発明によれば、反応性の低い原料有機化合物を反応性の高い有機燃料に変換してから燃料電池に供給することから、発電効率の高い燃料電池システムが得られると同時に、ユーザーが有機燃料に接触する機会が減少することから、高い安全性を確保することができる。また、燃料電池の排熱を原料有機化合物の分解反応に利用することにより、熱を有効利用することもできる。同様に、本発明によれば、安全性の高い燃料電池用原料カートリッジを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の燃料電池システムは、携帯電子機器、電気自動車、家庭用コジェネレーションシステム等に好適に用いられる。また、本発明の燃料電池用原料カートリッジは、軽量かつコンパクトな燃料電池システムにおいて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図７】本発明の実施例１に係る単セルの断面構成図である。
【図８】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【図９】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０、２０、３０、４０、５０、６０、８０、９０  燃料電池システム
１１、２１、３１、４１、５１、６１、８１、９１  燃料電池
１２、２２、３２、４２、５２、６２  貯蔵部
８２、９２  コネクタ
１３、２３、３３、４３、５３、６３、８３、９３  供給部
１４、２４、３４、５６、６４  分解部
１４、２５、５５  凹部
５４  第１貯蔵部
５５  第２貯蔵部
８４  酸供給部
９４ａ  冷却水用マニホルド孔の出口
９４ｂ  冷却水用マニホルド孔の入口
９４ｃ  空気用マニホルド孔の出口
９４ｄ  第２配管の出口
９５  ヒータ
９５Ａ  第１配管
９５Ｂ  第２配管
７０  単セル
７１  電解質膜
７２Ａ  アノード側拡散層
７２Ｂ  カソード側拡散層
７３Ａ  アノード側触媒層
７３Ｂ  カソード側触媒層
７４  ガスケット
７５  膜電極接合体
７６Ａ  アノード側導電性セパレータ
７６Ｂ  カソード側導電性セパレータ
７７Ａ  燃料流路
７７Ｂ  空気流路
７８Ａ、Ｂ  冷却水流路
【図１】
2006344413.tif 000004
【図２】
2006344413.tif 000005
【図３】
2006344413.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006344413.tif 000009
【図７】
2006344413.tif 000010
【図８】
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【図９】
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